DC-DC 컨버터 실험

DC-DC converter(DC-DC 컨버터) 실험을 해 보았습니다.
DC-DC converter 는 말 그대로 DC 전압의 크기를 변환해주는 회로입니다.
휴대용 모바일 기기의 수요가 증가하면서 DC-DC 컨버터 회로가 들어가는 곳이 많아졌습니다.
DC-DC Converter 가 들어가는 제품 중 대표적인 것이 PC 인데, CPU 주변이나 그래픽카드 주변에는 DC 전압을 변환시키기 위해서 콘덴서와 인덕터가 여러개 붙어있는 것을 발견할 수 있습니다.
DC-DC 컨버터는 동작 방식에 따라 여러 종류가 있지만, 인덕터를 이용한 비절연 방식으로 Buck converter, Boost converter, Buck-Boost converter 를 들 수 있습니다. (3종 세트?)
Buck converter 는 전압을 낮출 때 사용되고, Boost Converter 는 전압을 높일 때, Buck-Boost converter 는 전원전압보다 높거나 낮게 바꿀 수 있으며 극성을 반전시킬 때 사용됩니다.



1. Buck Converter

Buck converter 의 회로는 아래와 같습니다.

Buck converter 의 회로는 스위칭 부분과 다이오드, 인덕터 1개 로 이루어져 있습니다.
Buck converter 는 아래 그림과 같이 동작됩니다.

먼저 스위치를 닫았을 때에는 전원에서 인덕터를 통해서 부하로 전류가 흐릅니다. 인덕터는 전류의 흐름을 방해하는 성질이 있기 때문에 초기에 전류가 흐르기 시작할때에는 전원 극성과 반대방향의 기전력을 일으켜서 전원 전압에 대항하게 됩니다.

따라서, 전원전압에서 인덕터에 생겨난 기전력만큼 떨어진 전압이 부하에 가해지게 됩니다.
시간이 지나면 이 기전력이 점점 줄어들게 되는데, 줄어들기 전에 재빨리 스위치를 개방합니다.
스위치를 개방하면 전원에서의 전류의 흐름은 차단되지만 인덕터에 저장되어 있던 1/2LI²의 에너지로 인해서 역기전력이 발생합니다. 이 기전력으로 인한 전류는 다이오드와 인덕터를 통해서 부하에 가해집니다.

결국 스위치를 닫았을 때에는 인덕터에 에너지를 저장하면서 부하에 전력을 공급하고, 스위치를 열었을 때에는 인덕터에 저장되어 있던 에너지가 부하에 가해지는 원리입니다.
스위칭이 제대로 되지 않으면 전원의 전압이 그대로 부하측에 가해집니다.
실제 회로에서는 리플 전압을 줄이기 위하여 콘덴서를 부착합니다.

브레드보드에 회로를 꾸며 보았습니다. 스위칭은 555 타이머와 A1015 로 하였습니다. 전원의 전압은 5V 입니다.
3V 용 전구를 연결했더니 약하게 빛납니다.

3V 용 전구에 가해진 전압을 재어보니 1.3V 가 나옵니다. 전원의 전압에서 많이 떨어진 전압이 나오고 있습니다.


2. Boost Converter

두번째로 실험해 볼 회로는 Boost Converter 입니다. Boost Converter 는 전원의 전압을 올려야 할 때 사용됩니다.
Boost Converter 의 회로는 아래와 같습니다.

Boost Converter 또한 인덕터 1개, 다이오드 1개, 스위칭부분으로 이루어져 있습니다.
Boost Converter 는 아래의 그림과 같이 동작합니다.

먼저 스위치를 닫았을 때에는 인덕터와 스위칭 소자에 전류가 흐르게 됩니다. 이 때 1/2LI² 의 에너지가 인덕터에 저장되게 됩니다.
스위치를 떼면, 인덕터에는 역기전력이 발생하게 되는데, 그 기전력의 방향은 전원의 전압과 같은 방향이 됩니다. 따라서 전원의 전압과 인덕터에 생성된 전압이 직렬연결이 되어 부하측에 가해지게 됩니다.
스위칭이 되지 않으면 전원의 전압이 그대로 부하측에 가해지게 됩니다. 실제 회로에서는 리플 전압을 줄이기 위해서 콘덴서를 부착합니다.

브레드보드에 555 타이머 회로와 Boost Converter 회로를 꾸민 모습입니다. 스위칭용 트랜지스터는 C1815 를 사용하였습니다.

전원의 전압을 재어 보았더니 5V 가 나옵니다.

2차측에 부하를 걸지 않고 동작시켰더니 48V 까지 전압이 상승합니다. 이론상으로는 무한대로 상승시킬수도 있으나, 실제로는 어렵습니다.
블로킹 발진을 이용한 스위칭으로 만든 Boost Converter 회로는 아주 간단하므로 1.5V 로 LED 를 켜거나 하는 회로에 응용됩니다.


3. Buck-Boost Converter

Buck-Boost Converter 는 전압의 극성이 반전되면서 전압을 변환할 수 있는 회로입니다. 전압의 극성이 반대가 되므로 전원전압과의 직렬연결로 또다른 전압을 얻을 수도 있고, 양전원을 필요로 할 때에도 사용할 수 있습니다.
Buck-Boost Converter 의 회로는 아래와 같습니다.

Buck-Boost Converter 또한 인덕터 1개와 다이오드 1개, 스위칭소자 부분으로 이루어져 있습니다.
Buck-Boost Converter 의 동작은 아래 그림과 같습니다.

먼저 스위치를 닫았을때, 전류는 스위치와 인덕터를 통해서 흐르게 되고, 1/2LI²의 에너지가 인덕터에 저장되게 됩니다.
스위치를 열게 되면 인덕터에는 역기전력이 생기게 되고 그 기전력으로 인해서 생긴 전류는 인덕터와 다이오드를 통해서 부하에 가해지게 됩니다.
이 회로에서는 부하측에 전원의 극성과 반대인 전압이 가해지므로 전원 전압과의 직렬연결을 통해서 또 다른 전압을 얻을 수도 있고, (+),(-) 전압의 양전원을 얻을 수도 있습니다.
스위칭이 제대로 되지 않으면 부하에는 전압이 나오지 않게 됩니다. 또한 이 회로에서도 리플전압을 줄이기 위해서 콘덴서를 부착합니다.

Buck-Boost Converter 회로를 브레드보드에 꾸민 다음 전원을 가해 보았습니다. 전원 전압은 5V 입니다.
부하로는 12V 에서 사용하도록 만들어진 차량용 LED 모듈을 이용하였습니다.
스위칭용 트랜지스터는 A1015 를 사용하였습니다.

부하측에 가해진 전압을 재어 보았더니 9.9V 가 나옵니다. (+) 리드봉을 댄 곳이 전원 전압의 (-) 입니다.

부하측의 (-) 부분과 전원의 (+) 사이의 전압을 재었더니 전원의 전압과 부하측 전압이 합쳐진 전압이 측정됩니다.

이외에도 DC-DC Converter 에는 Fly-Back 방식이나, Charge-Pump 방식 등이 있습니다.

 

출처: http://thomson.tistory.com/440 글쓴이: 범상인